看ARM如何搶走x86市場 後進者的逆襲

2016年7月時，軟銀(SoftBank)宣布斥資234億英鎊買下全球最大行動晶片設計授權商安謀(ARM)，寫下「歐洲科技企業史上最大筆收購案」的紀錄。軟銀董事長孫正義指出，預計未來 20 年內，ARM 晶片的年產量將達到 1 兆片的規模。

ARM的獲利模式在於不自行生產晶片、僅授權ARM架構給處理器晶片設計商，客戶包括輝達（NVIDIA, NVDA-US）(Nvidia)、高通（Qualcomm, QCOM-US）、三星(Samsung)、德州儀器（Texas Instruments, TXN-US）(TI)等巨頭。然而究竟什麼是「架構」？ARM架構和Intel x86架構又有什麼不同？這對於安謀(ARM)和英特爾（Intel, INTC-US）公司又有什麼樣決定性的商業發展？

今天就讓我們來聊聊，什麼是處理器架構、與ARM和Intel x86的處理器架構的商業模式之爭。

對電腦下命令: 高階語言與低階語言

CPU(Central Processing Unit, 中央處理器)是驅動整台電腦運作的中心樞紐，就像是電腦的大腦；若沒有CPU，電腦就無法使用。CPU的功能主要是執行電腦的指令、以及處理電腦軟體中的資料。

什麼是指令呢? 指令是低階語言的命令。我們可以對電腦以程式下達命令，比如加減乘除的運算；在高階語言中的命令稱為敘述(statements)，在低階語言中稱為指令(instructions)。所謂的程式，就是指我們要電腦完成某一項工作，所下達的一連串命令。

等等！什麼又是高階語言和低階語言呢?

高階語言是目前最常見的程式語言，平常我們聽到的C/C++、Java、Python…等語言都是高階語言。高階語言以人類的日常語言英文為基礎，使用一般人易於接受的文字來表示，可讀性高。

然而電腦是看不懂高階語言的，因此我們需要將高階語言透過編譯器(Complier)將高階語言再轉成能直接與硬體溝通的低階語言。電腦唯一能讀懂的語言就是二進位制的機器語言(Machine Language)，由0與1組成，比如00101001010101100111….別說你會撰寫到發瘋，連看懂都有困難。因此後來又發展出了組合語言(Assembly Language)，改用較短的字串取代機器語言的0與1。

由於CPU只認得機器語言，因此組合語言所撰寫的程式依然需要經由組譯器(Assembler)來轉譯為機器碼。這個流程簡單來說，就是高階語言(C/C++, Java, Python, JavaScript…)得透過編譯器(Complier)轉成組合語言(Assembly Language)、再透過組譯程式(Assembler)轉譯成機器語言(Machine Language)，機器才能讀得懂。

組合語言和機器語言一樣，是直接對CPU進行操作，因此依然屬於低階語言。比如高階語言你要算加法運算就直接寫1 + 1 = 2就好；然而組合語言你得對CPU中的暫存器下命令，寫成：add $s0, $s1, $s2，表示把編號s1和s2暫存器中的數字相加、並存回s0暫存器。

這麼講大家可能很難理解，來做個示範吧！如果我們希望電腦輸出「Hello, World!」這行字，在高階語言中會這樣寫(範例為C語言)：

這時候電腦會輸出Output結果：Hello, World!。

同樣的一行字，來看看在組合語言中是怎麼寫的：

這時候你可能已經有：「這東西是什麼！！！」的想法了… 別急，最後來看看機器語言會怎麼寫：

…天啊。

我們可以明顯發現，高階語言的一個敘述可以對應到多個低階語言的指令，比低階語言更易撰寫、也較好閱讀。這樣的話，為什麼還要有低階語言呢?

因為高階語言要讓機器理解，還須經過「編譯」這個步驟，不但執行程式的時間較長，所需的電腦資源(如記憶體大小)也較多。

低階語言雖然難懂，但效能強，無論執行效率還是占用資源都比高階語言少。也因為低階語言對硬體直接操作，一種組合語言會專用於某種電腦架構，而不像許多高階語言可以在不同系統平台之間移植。根據這種特性，我們能透過組合語言訂定「指令集架構」(Instruction Set Architecture)。

指令集架構: 電腦的製作基礎

瞭解組合語言的概念後，終於可以來看看什麼是處理器的「架構」啦！

低階語言的指令是處理器(CPU)可以執行的最基本運算， 一款處理器所能支援執行的所有指令的總集合，就稱為指令集 (Instructions)。

在低階語言指令中，會出現資料於特定硬體上操作或存取的資訊，工程師須受過硬體訓練才能瞭解低階語言；現在一般寫個網站、寫APP，無須了解記憶體和或硬體便可以操作了。要撰寫低階組合語言，除了學習指令、還得學習相關的硬體規定，就叫「指令集架構」(Instruction Set Architecture)，依據相同指令集架構所造出來的計算機、要能執行指令集中的每一道指令。

指令集架構是電腦的基礎，也會影響作業系統的種類以及軟體的支援程度，每個指令集架構皆有各自的生態。現行的指令集架構非常多，知名的架構包括x86、ARM、MIPS。x86由Intel主導，也是目前個人電腦的主流架構，ARM則是採用授權的方式釋出， 在行動裝置的市佔率高達九成。MIPS則被應用於任天堂和Sony的遊戲機上。

指令集可依據CPU的設計目的，分為複雜指令集(CISC)和精簡指令集(RISC)。在1980年代前，指令集越做越複雜、為了支援這些指令集導致電腦結構也越來越複雜，然而，在複雜指令集中，僅有20%的指令最常被使用、剩下80%指令使用率相對低。

事實上，規格簡單、造出來的機器才會簡單且效能強，1979年美國加州大學伯克萊分校提出了RISC的概念，精簡指令集(RISC)只提供基本指令，剩下的複雜指令由基本指令拼湊而成，講求CPU執行速度。

當然CISC並沒有被淘汰掉，CISC與RISC各有優劣，依據硬體製作需求而有所選擇。還記得本文開頭舉例的高階語言和低階語言程式碼的行數差異嗎? CISC提供較佳的程式撰寫環境，能在較短程式碼內達到目標，不僅讓工程師能在撰寫程式上更輕鬆、在早期電腦記憶體容量有限時也能以較少的指令運作複雜的運算。

RISC處理器的規格則是要簡單許多，高階語言藉由編譯(Compile)轉成RISC指令很有效率，容易量產、價格更便宜、提升速度也很快，重點是低功耗、耗電量低。晶片業由傳統巨頭Intel導向ARM的翻盤， 來自RISC的革新絕對是位大功臣。

Intel與ARM: 高效能與低功耗之爭

晶片的運算效能與功耗成正比，代表若是晶片功能越強大，相對就更加耗電。晶片設計常要為了增強效能而犧牲功耗表現。比如2015年高通旗下產品Snapdragon 810的「發熱門」──無論是CPU還是GPU，Snapdragon 810性能與前代產品Snapdragon 801相比都有所提升，可惜功耗大、過熱問題嚴重，使得當年使用該產品的各廠牌旗艦智慧型手機紛紛陷入爭紛。

Intel和ARM間的競爭，莫過於高效能與低功耗的取捨，與傳統「一人吃餅、你吃餅屑」和「把市場養大大家一起吃餅」的經營差異。

ARM的前身為Acorn Computer(艾康電腦)，1978年創立於英國劍橋。後來因為艾康電腦的財務出現狀況，1990年分割出ARM成為獨立子公司。ARM建立之初，蘋果（Apple, AAPL-US）還持有其40%股份，只是後來陸續出脫，成為開發iPod, iPhone的資金。雖然蘋果一度想要買回ARM股權，甚至還提出了收購邀約，可惜被ARM執行長拒絕。

1985年，艾康電腦與蘋果公司(Apple Inc.)研發出採用精簡指令集的新型處理器，命名為ARM (Acorn RISC Machine, 後來更名為Advanced RISC Machine)，又稱ARM 1。同年十月Intel發表80386處理器，ARM1的功能顯得相對簡單，效能也不敵80386，但耗電量明顯更低。這樣的差異使得ARM系列處理器往後的設計路線明顯與Intel不同，Intel持續邁向高效能的x86架構，ARM專注於低成本、低功耗的研發方向。

早期電腦的晶片注重效能更甚功耗，當時的桌上型電腦都有電源連接插座，在無須擔心耗電量的情況下只需比拚效能即可。然而當筆電、智慧型手機與平板逐漸普及，取代桌電成為主流電子市場時，面對運算性能要求不高卻注重續航力的產品，低功耗與低價位的晶片成為比效能更重要的考量點。(當然無論ARM還是Intel都會號稱自家產品具備低功耗高效能的特點啦。)

加上ARM獨特經營模式所擁有的競爭優勢──ARM本身並不直接生產晶片，商業模式採用授權智慧財產權的方式，由高通、聯發科（2454-TW）、三星等廠商使用ARM的指令集架構，再加入自家研發的技術，比如內顯GPU、3G/4G支援、省電機制…最後整合成一顆SoC(System on Chip, 系統單晶片)處理器。獲利模式簡單來說分成兩塊：一是一次性的對外授權收入，二是版稅、客戶每生產一塊晶片就要支付ARM一筆提成。

這與Intel的經營方式大相逕庭，自行研發、製造、出售的產品毛利高達50%，比純作授權的微薄利潤還高，大概得賣百來片ARM的晶片才抵過Intel賣一片晶片。其他廠商若要從頭開始研發x86這樣的架構可能得耗時二、三十年。藉由賺得的高額利潤，Intel能再投入大量的成本研發下一代處理器技術與生產線製程，甩競爭對手又一個世代。

以其對手AMD來說好了，研發一個內核架構至少需時5年以上，AMD的資本額與Intel相差幾十倍，技術落後、研發資金也不足，比起Intel的正向循環，AMD幾回惡性循環後導致公司虧損。AMD之所以被Intel留著只是為了不被反壟斷法控訴…。這種由Intel一家獨霸技術與市場的經營方式，也就是所謂的「一人吃餅、你吃餅屑」。

相比之下，ARM用便宜的價格進行大量的授權，不用投入高額資本於工廠產線。ARM架構能興起、還要感謝幕後功臣蘋果，除了早期共同研發精簡指令集架構(RISC)、出資讓ARM公司獨立出來，更重要地，還以使用ARM架構的iPhone, iPad 打開了行動運算市場，讓其他廠商紛紛能以低價購入ARM授權，進行智慧型手機晶片的研發。RISC之所以成為目前主流指令集，與行動裝置相輔相成，可謂時也、運也、命也，所謂「把市場養大大家一起吃餅」。

Intel不但在行動市場上慢了一步，在手機晶片上的思維也是固守x86架構，故而開發出使用x86架構的RISC晶片，導致功耗大。Intel有的是資本，不惜祭出高額的補貼政策以吸引手機廠使用，華碩（2357-TW）的Zenfone便搭載了Intel CPU，可惜有著耗電量過高的問題。即使後續Intel開發出Atom系列處理器，有著不遜於ARM晶片的低功耗、高性能特點，可惜鮮有人聞問之下，Intel宣布退出Sofia、Broxton兩款 Atom 處理器的開發，總共慘賠了數十億美元。

不是說Intel產品做得不好，現在的主流營運模式已不是直接販售處理器，而是透過智財授權方式營利。Intel若是學ARM的授權模式，收入將會比銷售最終產品的收入要低得多，難以讓Intel投入巨資研發的最新製程生產線、保持目前「高研發VS高毛利相互驅動」的商業模式。而ARM的設計與製造分開，較不會有這個問題。

由於ARM收費低廉，相較於Intel於2015年的營收達到516.9億美元，ARM的同年營收僅15 億美元。但十多年過去，ARM培養了一個遠比PC市場更龐大的陣營。與其說是Intel和ARM之間的對決、CISC與RISC的對決，倒不如說Intel對上的是各家取得安謀授權的半導體廠商，是經營模式的問題。我們更可以說，ARM已經被視為處理器架構設計領域的領導廠商，Intel則逐漸成為晶片先進製程製造領域的資本密集廠商。

今年四月，Intel日宣布將於2017年中前裁員1.2萬人，佔Intel全球13萬員工中的11%人力，是近10年來最大規模的裁員動作。此舉意味著Intel雖極力轉型，仍無法有效因應 個人電腦市場的衰退、並未能在行動裝置市場中扭轉頹勢。

今年八月， Intel再透露其10奈米FinFET製程全面支援ARM架構，並已與 ARM 簽定授權協議，生產ARM架構的處理器產品；第一批產品將用於LG和展訊上、LG和展訊分別採取的是10奈米和14奈米製程，在晶圓代工市場向台積電（2330-TW）、三星(Samsung)以及格羅方德(Globalfoundries)等競爭同業叫陣。

這樁合作案向市場承認了──手機應用是晶圓代工市場的最大宗，與ARM架構的王道地位。